寧波三官堂大橋桁架制造線形確定方法研究

姜洋

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

寧波三官堂大橋桁架制造線形確定方法研究

姜洋

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

對(duì)連續(xù)鋼桁架橋分別采用兩種施工方法的結(jié)構(gòu)成橋受力狀態(tài)進(jìn)行了理論推導(dǎo)，并對(duì)其桁架制造線形的確定方法進(jìn)行了研究。分析表明，分別采用中跨設(shè)置臨時(shí)墩和邊支點(diǎn)頂升兩種施工方法的連續(xù)鋼桁架橋可達(dá)到相同的成橋受力狀態(tài)，除合龍段外的桁架制造線形一致，而合龍段的制造線形應(yīng)根據(jù)不同的施工方法進(jìn)行調(diào)整。

鋼桁架橋；制造線形；臨時(shí)墩；邊支點(diǎn)頂升

0　引　言

鋼桁架橋具有承載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)剛度大的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于鐵路橋梁中。早在19世紀(jì)末，國外鋼桁梁橋的主跨跨徑就已突破500m。但隨著跨徑的增加，鋼桁梁橋自重在承載能力中的占比越來越大，承載效率的降低使得該橋型的跨徑未有增加。

近年來，我國鋼橋建設(shè)的整體技術(shù)水平得到了長足發(fā)展，橋梁跨徑不斷增加，橫向?qū)挾仍絹碓酱?，結(jié)構(gòu)形式也越來越多樣化。目前我國已建成的主跨超過500 m的大跨徑橋梁均采用拱式或纜索承重體系，而鋼桁梁橋的跨徑仍未突破300 m，對(duì)大跨徑鋼桁梁橋的設(shè)計(jì)和施工缺乏相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)。

三官堂大橋位于寧波市東部城區(qū)，是連接高新區(qū)院士路與鎮(zhèn)海區(qū)明海大道的跨越甬江通道。由于要求一跨過江，主跨跨徑達(dá)到465 m，且橋位臨近莊橋機(jī)場(chǎng)，施工過程中橋梁建筑高度也受到限制。采用拱式或纜索承重體系橋梁方案時(shí)，矢跨比或塔跨比不在常規(guī)取值范圍內(nèi)，受力體系不合理，經(jīng)濟(jì)性能較差。因此主橋采用連續(xù)鋼桁架橋，跨徑布置為160+465+160=785（m），建成后將成為世界上跨徑最大的連續(xù)鋼桁架橋，如圖1所示。

桁架采用變高桁，桁式采用N形桁，跨中桁高14.5 m，邊墩頂桁高15.0 m，中墩頂桁高42.0 m；設(shè)置雙向八車道，兩榀主桁中心間距33.7 m，中跨橋面寬度45.9 m；桁架基本節(jié)間距15.0 m，中墩頂附近為18.75 m。

該橋可采用以下兩種施工方法：一是中跨采用整節(jié)段懸臂拼裝施工并在河中適當(dāng)位置設(shè)置臨時(shí)墩；二是不設(shè)置臨時(shí)墩進(jìn)行中跨懸臂拼裝，為了減小恒載下中支點(diǎn)處負(fù)彎矩，需在中跨合龍后對(duì)邊支點(diǎn)進(jìn)行頂升。設(shè)置中跨臨時(shí)墩可減小最大懸臂狀態(tài)下的懸臂端豎向撓度，便于調(diào)整合龍口和桁架標(biāo)高，但臨時(shí)墩的反力較大，施工費(fèi)用較高，且存在一定的船撞風(fēng)險(xiǎn)。因此，該橋施工方法的確定還需從結(jié)構(gòu)受力、經(jīng)濟(jì)性能、施工風(fēng)險(xiǎn)等多方面進(jìn)行深入的對(duì)比研究。

連續(xù)鋼桁架橋的成橋受力狀態(tài)和制造線形與施工過程密切相關(guān)。在施工方法尚不能確定時(shí)，如果能確定一種制造線形可適應(yīng)不同的施工方案，將為施工圖設(shè)計(jì)帶來極大便利。本文將對(duì)比分析連續(xù)鋼桁架橋采用不同施工方法時(shí)的成橋受力狀態(tài)，并對(duì)其桁架制造線形的確定方法進(jìn)行研究。

1　兩種施工方法的成橋受力狀態(tài)

1.1中跨設(shè)置臨時(shí)墩

總體施工流程為：支架上散拼A1～A15節(jié)段→整節(jié)段懸臂拼裝A16～A25節(jié)段→中跨合龍→拆除中跨臨時(shí)墩→二期恒載施工。

中跨合龍時(shí)，如圖2所示，設(shè)臨時(shí)墩距中支點(diǎn)水平距離為L，通過千斤頂調(diào)整臨時(shí)墩支反力為F，由于臨時(shí)墩支反力作用引起的邊墩支反力為P1，中支點(diǎn)彎矩M1=FL。

如圖3所示，拆除中跨臨時(shí)墩引起的邊墩支反力為P2，中支點(diǎn)彎矩為M2，跨中彎矩為M3，其中M2+M3=FL=M1，由此M1-M2=M3。

將圖2和圖3疊加可得到由于設(shè)置中跨臨時(shí)墩所引起的結(jié)構(gòu)彎矩，如圖4所示，此時(shí)邊墩支反力為P1-P2，中跨彎矩均為M3。

圖1　寧波三官堂大橋總體布置（單位：m）

圖2　中跨合龍工況臨時(shí)墩支反力引起的彎矩

圖3　拆除臨時(shí)墩工況彎矩

圖4　設(shè)置臨時(shí)墩引起的結(jié)構(gòu)彎矩

1.2中跨不設(shè)置臨時(shí)墩

總體施工流程為：支架上散拼A1～A15節(jié)段→整節(jié)段懸臂拼裝A16～A25節(jié)段→中跨合龍→兩側(cè)邊支點(diǎn)同時(shí)頂升→二期恒載施工。

中跨桁架合龍后，兩側(cè)邊支點(diǎn)同時(shí)頂升引起的結(jié)構(gòu)彎矩如圖5所示，邊墩支反力為P，中跨彎矩為M。

圖5　兩側(cè)邊支點(diǎn)同時(shí)頂升工況彎矩

1.3成橋受力狀態(tài)對(duì)比

對(duì)比圖4和圖5，分別由設(shè)置中跨臨時(shí)墩和邊支點(diǎn)頂升引起的結(jié)構(gòu)彎矩圖形狀相同，由于兩者的邊界條件也相同，因此只需要保證邊墩支反力相同，即P1-P2=P，兩種施工方法的成橋受力狀態(tài)就是一致的。

當(dāng)成橋受力狀態(tài)確定時(shí)，中跨臨時(shí)墩的位置與其支反力是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，可按如下流程求解連續(xù)鋼桁架橋的合理成橋狀態(tài)和中跨臨時(shí)墩支反力：

（1）按照邊支點(diǎn)頂升施工方法確定合理成橋狀態(tài)，即確定合適的邊支點(diǎn)頂升量使得連續(xù)鋼桁架橋的桁架桿件用鋼量最小，求得邊墩支反力P。

（2）確定中跨臨時(shí)墩的位置，設(shè)定初始臨時(shí)墩支反力F0，求得邊墩支反力P1-P2，如果P1-P2與P的誤差在允許范圍內(nèi)，則結(jié)束迭代計(jì)算，否則利用二分法修正F0，直至求得臨時(shí)墩支反力F。

下面通過一個(gè)算例對(duì)上述分析進(jìn)行驗(yàn)證，空間計(jì)算模型如圖6所示，橋面板采用板單元，其余構(gòu)件采用梁單元模擬。

圖6　空間分析有限元模型

全橋共設(shè)置4個(gè)臨時(shí)墩，當(dāng)L=142.5 m時(shí)，每個(gè)臨時(shí)墩的支反力F=1 200 t，邊支點(diǎn)頂升量為0.8 m。設(shè)置中跨臨時(shí)墩和邊支點(diǎn)頂升兩種施工方案的上弦桿恒載軸力差值如圖7所示，最大差值為1.1 t，與恒載軸力的最大相對(duì)誤差為0.2%。由此可知，通過選取合適的參數(shù)，可使兩種施工方法在恒載下的受力狀態(tài)相同。

圖7　上弦桿恒載軸力差值

2　兩種施工方法的制造線形

采用前進(jìn)分析法分別按照兩種施工方法的施工步驟對(duì)上述算例進(jìn)行施工過程模擬，計(jì)算中考慮構(gòu)件的切向安裝。桁架弦桿（不包括合龍段）在施工過程中的累積豎向位移如圖8所示，圖中橫坐標(biāo)為弦桿節(jié)點(diǎn)與中支點(diǎn)的水平距離，中跨方向?yàn)檎吙绶较驗(yàn)樨?fù)。為便于比較，不考慮活載對(duì)預(yù)拱度設(shè)置的影響，將弦桿各節(jié)點(diǎn)的累積位移反向即可得到鋼桁架橋的制造線形。

從圖中可以看出，設(shè)置臨時(shí)墩和邊支點(diǎn)頂升兩種施工方法的豎向位移差值在邊支點(diǎn)處為0.8 m，即為邊支點(diǎn)頂升量，在中支點(diǎn)處差值為0，差值近似為直線，主要是由邊支點(diǎn)頂升引起的結(jié)構(gòu)剛體轉(zhuǎn)動(dòng)引起。

將邊支點(diǎn)頂升方案的制造線形（不包括合龍段）繞中支點(diǎn)進(jìn)行剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，使得邊支點(diǎn)的制造線形與其成橋位置相同，設(shè)置臨時(shí)墩與剛體轉(zhuǎn)動(dòng)后邊支點(diǎn)頂升兩種施工方案的制造線形豎向差值如圖9所示，最大差值為1.6 mm，兩種制造線形基本一致。

圖8　弦桿節(jié)點(diǎn)施工過程累積豎向位移

圖9　弦桿節(jié)點(diǎn)制造線形豎向差值

而合龍段的弦桿長度卻有一定差別，與采用中跨設(shè)置臨時(shí)墩的施工方法相比，邊支點(diǎn)頂升方法的合龍段上弦桿長13.8 cm，下弦桿短13.8 cm，而豎腹桿長度相同。因此，兩種施工方法除合龍段外的桁架制造線形一致，合龍段的制造線形應(yīng)根據(jù)不同的施工方法進(jìn)行調(diào)整。

3　結(jié)語

通過分析可以得出以下主要結(jié)論：

（1）當(dāng)連續(xù)鋼桁架橋采用中跨設(shè)置臨時(shí)墩的施工方法時(shí)，對(duì)于確定的成橋受力狀態(tài)，臨時(shí)墩的位置與其支反力是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，當(dāng)臨時(shí)墩位置改變時(shí)，可通過調(diào)整其支反力使得結(jié)構(gòu)的成橋受力狀態(tài)不變。

（2）對(duì)于分別采用中跨設(shè)置臨時(shí)墩和邊支點(diǎn)頂升兩種施工方法的連續(xù)鋼桁架橋，只要通過選擇合適的設(shè)計(jì)參數(shù)，即臨時(shí)墩的位置、支反力和邊支點(diǎn)頂升量，就可達(dá)到同樣的成橋受力狀態(tài)。

（3）當(dāng)成橋受力狀態(tài)相同時(shí)，上述兩種施工方案除合龍段外的桁架制造線形一致。

在寧波三官堂大橋施工圖設(shè)計(jì)中，推薦采用邊支點(diǎn)頂升的施工方法，并由此確定了桁架制造線形。如在施工過程中采用中跨設(shè)置臨時(shí)墩的方案，在臨時(shí)墩位置確定的情況下，可通過選擇合適的臨時(shí)墩支反力使得成橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)以及除合龍段外的桁架制造線形均保持不變，僅需對(duì)合龍段的制造線形進(jìn)行調(diào)整，使該橋設(shè)計(jì)給出的桁架制造線形可適應(yīng)不同的施工方法。

[1]胡廣周,譚慶波.大跨度連續(xù)鋼桁架拱橋半懸臂拼裝臨時(shí)墩合理標(biāo)高計(jì)算[J].廣東土木與建筑,2013(1):48-50.

[2]李鵬.A15公路閔浦大橋邊跨鋼桁梁頂升施工控制[J].城市道橋與防洪,2011(1):79-82.

[3]康晉,段雪煒,徐偉.重慶朝天門長江大橋主橋鋼梁安裝設(shè)計(jì)[J].鋼結(jié)構(gòu),2011,26(3):65-67.

[4]劉立強(qiáng).預(yù)拱度鋼桁梁施工技術(shù)[J].鋼結(jié)構(gòu),2013,28(10):65-68.

U445

B

1009-7716（2016）04-0095-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.04.030

2015-12-17

姜洋（1983-），男，黑龍江齊齊哈爾人，工學(xué)博士，工程師，從事橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究工作。